基于ARM芯片LPC2214和μCOS

1.2 家庭智能終端的硬件實(shí)現(xiàn)
本文以LPC2214-S作為中心控制芯片。LPC2214-S是基于實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S CPU的微控制器，并帶有256KB的高速片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器。片內(nèi)128位寬度的存儲(chǔ)器接口和加速器結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)高達(dá)60MHz的操作頻率。LPC2214還在片內(nèi)集成了16KB的SHAM，并且提供了豐富的接口資源，包括2個(gè)16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART異步串行口，1個(gè)高速PC接口(400Kbps)，2個(gè)SPI接口及112個(gè)GPl0口。其片內(nèi)Boot裝載程序可實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)編程(ISP)和在應(yīng)用編程(IAP)。此外芯片提供空閑和掉電兩種低功耗模式。
由此可以看出，LPC2214-S具有高性能、低功耗、接口資源豐富的特點(diǎn)。這些特點(diǎn)可以較好地滿足基于網(wǎng)絡(luò)的家庭智能終端的設(shè)計(jì)需要。
作為家庭自動(dòng)化的控制中心，家庭智能終端除了具有局域網(wǎng)接口、PSTN接口、RS-485接口、藍(lán)牙接口外，還提供音頻視頻接口、HUB接口、RS-232接口、報(bào)警傳感器接口等。這些接口可以實(shí)現(xiàn)音視頻自動(dòng)切換、多臺(tái)PC同時(shí)上網(wǎng)、與PC機(jī)結(jié)合完成家庭事物管理等功能。圖2為家庭智能終端主控模塊的硬件實(shí)現(xiàn)圖。

1.3 家庭智能終端工作原理
利用基于藍(lán)牙技術(shù)的遙控設(shè)備或基于RS-485總線的有線鍵盤(pán)，可以設(shè)置家庭智能終端的各項(xiàng)參數(shù)，打開(kāi)或關(guān)閉485總線或具有藍(lán)牙模塊的電器設(shè)備，設(shè)置報(bào)警模塊的報(bào)警方式、撤布防等。此外遙控設(shè)備和鍵盤(pán)上還有緊急求助按鈕，可以通過(guò)電話和網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)程管理中心發(fā)送報(bào)警信號(hào)。家庭智能終端還具有聯(lián)動(dòng)控制模塊，當(dāng)485總線或藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)設(shè)備發(fā)生某個(gè)特定的動(dòng)作時(shí).可以引發(fā)另外一些設(shè)備做設(shè)定的狀態(tài)變化，從而達(dá)到方便用戶和節(jié)省能耗的效果。以上介紹的是本地操作的工作原理。關(guān)于遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控，本文提供了兩種方式：基于電話網(wǎng)絡(luò)和基于互聯(lián)網(wǎng)。由于基于電話網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控已經(jīng)有了大量介紹，這里主要介紹互聯(lián)網(wǎng)方式的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控。
家庭智能終端是通過(guò)Web技術(shù)提供遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制服務(wù)的。用戶在任意一臺(tái)連接到因特網(wǎng)的PC機(jī)上打開(kāi)Windows IE，登錄小區(qū)服務(wù)器，輸入家庭智能終端的IP地址和相關(guān)密碼，使可以看到智能終端上的Web頁(yè)。在Web頁(yè)上可以查看家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)各種設(shè)備的狀態(tài).并且可以改變某些設(shè)備的狀態(tài)。這里利用小區(qū)網(wǎng)關(guān)完成小區(qū)局域同與外網(wǎng)的連接，小區(qū)內(nèi)部局域網(wǎng)上的IP地址可以使用私有地址，從而節(jié)省費(fèi)用。
2 家庭智能終端軟件設(shè)計(jì)
嵌入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μCOS-Ⅱ是一種占先式多任務(wù)操作系統(tǒng).可固化、可裁減、移植性好，具有良好的可靠性和穩(wěn)定性。它支持64個(gè)任務(wù)，具有信號(hào)量、消息郵箱、消息隊(duì)列等多種進(jìn)程間通信機(jī)制，已經(jīng)在商業(yè)領(lǐng)域得到了成功的應(yīng)用。由于μCOS-Ⅱ操作系統(tǒng)本身并不帶TCP/IP協(xié)議棧，因此在操作系統(tǒng)上需要移植IP協(xié)議。本文采用μCOS-Ⅱ+LWIP來(lái)實(shí)現(xiàn)家庭智能終端的網(wǎng)絡(luò)通信。
家庭智能終端軟件部分包括遠(yuǎn)程通信模塊、RS-485通信模塊、無(wú)線通信模塊、232通信模塊、報(bào)警檢測(cè)模塊、聯(lián)動(dòng)控制模塊以及電話和語(yǔ)音控制模塊。根據(jù)以上劃分，在μCOS-Ⅱ操作系統(tǒng)中定義了遠(yuǎn)程通信任務(wù)、485通信任務(wù)、232通信任務(wù)、報(bào)警檢測(cè)任務(wù)、聯(lián)動(dòng)控制任務(wù)、電話語(yǔ)音控制任務(wù)以及藍(lán)牙通信任務(wù)。各任務(wù)的優(yōu)先級(jí)和堆?？臻g分配如表l。

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，保證程序具有良好的可移植性和可重用性，各種軟件模塊分別屬于不同的程序?qū)印Ｈ鐖D3所示，筆者將軟件模塊分為三個(gè)程序集合，即軟件的程序?qū)?。?nèi)層是μCOS-Ⅱ內(nèi)核，承擔(dān)任務(wù)管理、內(nèi)存管理和時(shí)間管理功能。應(yīng)用程序?qū)又饕瓿蓴?shù)據(jù)處理和請(qǐng)求內(nèi)核服務(wù)的功能。中間件層移植和編寫(xiě)各部分通信協(xié)議和底層接口芯片的驅(qū)動(dòng)程序。圖3中最外圍層為硬件接口層，它不是實(shí)際的軟件層，并不做軟件編寫(xiě)工作。智能終端的軟件部分非常復(fù)雜，由于篇幅所限，本文重點(diǎn)介紹操作系統(tǒng)的移植和遠(yuǎn)程監(jiān)控及控制。

2.2 μCOS-Ⅱ操作系統(tǒng)在LPC2214上的移植
將μCOS-Ⅱ操作系統(tǒng)移植到LPC2214上需要0S_CPU.H、OS_CPEL_C.C、OS_CPU_A.ASM三個(gè)文件。OS_CPU.H主要定義不依賴于編譯的數(shù)據(jù)類型、指定堆棧的生長(zhǎng)方式以及定義底層接口。
為了具有良好的可移植性，μCOS-Ⅱ并不使用C語(yǔ)言中的short、im、long等數(shù)據(jù)類型，而是以整數(shù)數(shù)據(jù)類型代替。LPC2214有四種堆棧形式：滿遞減、滿遞增、空遞減、空遞增，但是ADS1.2編譯器只支持滿遞減堆棧，即選擇由上向下增長(zhǎng)方式。
定義底層接口是為了在C語(yǔ)言中調(diào)用匯編代碼高效地完成某些系統(tǒng)服務(wù)功能。本文采用軟中斷指令實(shí)現(xiàn)底層接口。底層接口代碼如下：

OS_CPU_C.C文件首先根據(jù)LPC2214體系結(jié)構(gòu)和ADSl.2編譯器定義任務(wù)的堆棧結(jié)構(gòu)。在定義堆棧結(jié)構(gòu)的函數(shù)：OS_STK OSTaskStkInit(void(*task)void(*pd).void*plat，OS_STK**ptos,INT16U opt)中定義了一個(gè)全局變量OsEnterSum,主要用于對(duì)關(guān)中斷次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，這樣可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)中斷和關(guān)中斷的嵌套。此文件也包括實(shí)現(xiàn)軟中斷的詳細(xì)代碼。

此外，本文件還包括運(yùn)行多任務(wù)時(shí)系統(tǒng)啟動(dòng)前調(diào)用最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的函數(shù)void0SStartHighRdy(void)以及幾個(gè)供用戶編寫(xiě)的Hook函數(shù)。
OS_CPU_A.ASM包括四個(gè)簡(jiǎn)單的匯編語(yǔ)言函數(shù)：調(diào)用啟動(dòng)前最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)函數(shù)OSStartHigh Rdy()，從低優(yōu)先級(jí)任務(wù)切換到高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的函數(shù)OSCtxSw()、OS-IntCtxSw()，時(shí)鐘節(jié)拍中斷處理函數(shù)OSTickISR()。任務(wù)切換函數(shù)在任務(wù)切換之前要利用堆棧保存被切換任務(wù)的有用狀態(tài)。LPC2214具有17個(gè)寄存器，但并不是所有的寄存器都需要進(jìn)入堆棧。為了節(jié)省堆?？諉?wèn)和減少切換時(shí)的時(shí)間開(kāi)銷，建立了一個(gè)任務(wù)切換時(shí)的堆棧結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制
遠(yuǎn)程監(jiān)控與遠(yuǎn)程控制的軟件設(shè)計(jì)采用客戶端一服務(wù)器方式。TCP/IP協(xié)議的傳輸層有兩個(gè)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議：傳輸控制協(xié)議TCP和用戶數(shù)據(jù)報(bào)傳輸協(xié)議UDP，二者各有特點(diǎn)。UDP協(xié)議是提供最少服務(wù)和費(fèi)用的協(xié)議，它不基于連接來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，因此UDP的傳送數(shù)據(jù)是不可靠的。TCP協(xié)議是基于連接的雙向傳輸?shù)目煽繑?shù)據(jù)傳輸協(xié)議，但是TCP協(xié)議的使用費(fèi)用較高。在智能終端的設(shè)計(jì)中，充分考慮了數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋憷院涂煽啃?，并且鑒于ARM系統(tǒng)能夠提供足夠的資源，根據(jù)數(shù)據(jù)的不同要求，采用了不同的傳輸層協(xié)議。在軟件設(shè)計(jì)中使用Socket API函數(shù)來(lái)編寫(xiě)UDP和TCP通信任務(wù)。TCP和UDP通信時(shí)，Socket API的應(yīng)用流程如圖5所示。

家庭智能終端是家庭內(nèi)外信息交換和家電控制的平臺(tái)。本文采用Philipes公司的ARM7芯片LPC2214和μCOS-Ⅱ操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)了硬件和軟件，克服了8位單片機(jī)處理速度慢、接口資源和存儲(chǔ)資源不足的限制。利用RS-485和藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)作為家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，局域網(wǎng)和電話網(wǎng)絡(luò)作為外部網(wǎng)絡(luò)，保證了大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，并且兼顧了傳統(tǒng)的電話網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制方式。實(shí)踐表明。系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，在高端家庭智能終端領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/FONT>